一種超寬帶多波束喇叭發(fā)射天線陣

摘" 要：為滿足便攜式大功率、寬容量多波束干擾系統(tǒng)的使用需求，設(shè)計(jì)了一種超寬帶寬角覆蓋的多波束喇叭發(fā)射天線陣。基于微帶Rotman透鏡的波束網(wǎng)絡(luò)特性，發(fā)射天線陣采用弧形開口扇形脊喇叭天線結(jié)構(gòu)，在6～18 GHz的工作頻率范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)16波束輸出，具備優(yōu)異的波束指向性。俯仰面波束寬度為40°～70°，方位面實(shí)現(xiàn)±45°空域覆蓋，擁有超寬角的波束覆蓋能力。天線陣的有源駐波比小于3.0，能夠承受大功率輸出。同時(shí)，多波束喇叭發(fā)射天線陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，便于使用和安裝。

關(guān)鍵詞：多波束；Roatmn透鏡；發(fā)射天線陣；寬角覆蓋

中圖分類號(hào)：TN821 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：2096-4706（2025）04-0001-06

An Ultra-wideband Multi-beam Horn Transmitting Antenna Array

SHENG Pengchi， SHI Zhixun， CHEN Hang

（Guilin Changhai Development Co.， Ltd.， Guilin" 541001， China）

Abstract： To meet the usage requirements of portable high-power， multi-beam jamming systems with large capacity， a multi-beam horn transmitting antenna array with ultra-wideband and wide-angle coverage is designed. Based on the beam network characteristics of the microstrip Rotman lens， the transmitting antenna array adopts the structure of an arc-shaped opening sectorial ridge horn antenna， achieving 16 beam outputs within the operating frequency range from 6 to 18 GHz and possessing excellent beam directivity. The elevation beam width is 40°～70°， and the azimuth realizes ±45° airspace coverage， having ultra-wide-angle beam coverage capability. The active standing wave ratio of the antenna array is less than 3.0， and it can withstand high power output. At the same time， the multi-beam horn transmitting antenna array structure is designed to be compact， facilitating usage and installation.

Keywords： multi-beam; Rotman lens; transmitting antenna array; wide-angle coverage

0" 引" 言

多波束天線是能夠在一個(gè)天線陣口徑上產(chǎn)生多個(gè)波束、且各個(gè)波束指向可以任意指定的天線，憑借其優(yōu)勢(shì)廣泛應(yīng)用在電子偵察、電子對(duì)抗及雷達(dá)等領(lǐng)域[1]。通常實(shí)現(xiàn)多波束功能主要有兩種技術(shù)體制[2-3]，第一種是相控陣體制，該體制實(shí)現(xiàn)的波束指向靈活，但設(shè)計(jì)難度大、結(jié)構(gòu)布局復(fù)雜且集成成本較高；另一種是基于無源微波透鏡的技術(shù)體制，所產(chǎn)生的波束指向在透鏡設(shè)計(jì)完成之后不可改變，但由于具備頻帶寬、掃描范圍寬、可靠性高及成本低等特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用在電子戰(zhàn)領(lǐng)域。

Rotman透鏡是一種能實(shí)現(xiàn)多個(gè)固定波束、寬角覆蓋的波束形成器[4]。當(dāng)對(duì)Rotman透鏡不同波束端口進(jìn)行激勵(lì)時(shí)，對(duì)應(yīng)的陣列端口產(chǎn)生不同線性相位差，不同的相位差經(jīng)過輻射元過后在空間形成不同方向的波前，從而在空間形成不同指向的波束。由于Rotman透鏡的真時(shí)延特性，因此具備極寬的工作帶寬，所產(chǎn)生的各個(gè)指向波束與頻率無關(guān)、各個(gè)波束具備全天線陣口徑增益等優(yōu)點(diǎn)。為了實(shí)現(xiàn)有源發(fā)射體制，可在Rotman透鏡與發(fā)射天線陣鏈路之中采用發(fā)射組件，并采用全金屬喇叭天線提高了天線陣的耐功率要求。

為發(fā)揮微帶Rotman透鏡的多波束、寬頻帶特性[5]，且整體結(jié)構(gòu)要求便攜且緊湊，設(shè)計(jì)了一種超寬帶寬角覆蓋多波束發(fā)射天線陣。發(fā)射天線陣由弧形開口扇形脊喇叭天線組成一維直線陣，波束形成器由基于微帶形式的Rotman透鏡和穩(wěn)相電纜組件實(shí)現(xiàn)，通過仿真和實(shí)測(cè)驗(yàn)證了其性能。通過在發(fā)射天線陣和Rotman透鏡之間配置功放組件，即可實(shí)現(xiàn)發(fā)射天線陣多波束大功率輸出。

1" 設(shè)計(jì)原理

超寬帶多波束喇叭發(fā)射天線陣由發(fā)射天線陣和微帶Rotman透鏡兩部分組成。發(fā)射天線陣由16單元帶極化罩雙脊喇叭天線組成一維均勻直線陣，通過控制每一單元饋電端口的幅度和相位可以實(shí)現(xiàn)特定方向的波束形成，陣元的波束寬度在波束合成面方向越寬，其在波束掃描時(shí)不同波束指向的增益變化越小，因此選擇寬波束單元天線是進(jìn)行陣列天線合成的前提。若有一個(gè)由N個(gè)天線單元組成的一維直線均勻天線陣，相鄰天線單元間距為d，天線陣波束指向與單元間距滿足公式d = λ/（1+∣sinθm∣）（λ為波長，θm為最大波束指向）[6]，即陣元間距越大，天線陣的最大掃描角就越小。由于發(fā)射天線陣工作頻率范圍為6～18 GHz，波束最大指向?yàn)椤?5°，單元間距選取過大會(huì)導(dǎo)致天線陣在電掃時(shí)出現(xiàn)除副瓣以外的柵瓣，降低天線陣增益和輻射效率；選取過小雖然能拓寬波束掃描覆蓋范圍，但陣元耦合更加強(qiáng)烈[7]，提高了天線陣有源駐波優(yōu)化難度；根據(jù)上式計(jì)算后綜合考慮天線陣元間距選取9.3 mm，既保證了超寬的波束覆蓋范圍也降低了天線陣優(yōu)化難度。

微帶型Rotman透鏡主要由焦點(diǎn)圓?。úㄊ喞⑼哥R腔體和內(nèi)輪廓線（陣列輪廓）組成，通過幾何光學(xué)分析介紹工作原理[8-9]。圖1中，G0、F1和F2分別是透鏡的正焦點(diǎn)、偏焦點(diǎn)1和偏焦點(diǎn)2，且這三個(gè)焦點(diǎn)都分布在以半徑為R的焦點(diǎn)圓弧上，在此輪廓上，各焦點(diǎn)到陣列輪廓的一個(gè)端口都會(huì)形成一個(gè)固定的光程差，通過光程差實(shí)現(xiàn)了相位差。G是正軸焦距，F(xiàn)是偏軸焦點(diǎn)的焦距，α為焦角，N是發(fā)射天線陣口徑的一半，當(dāng)確定以上設(shè)計(jì)參數(shù)和透鏡基板材料，通過透鏡設(shè)計(jì)方程確定陣列輪廓，同時(shí)陣列輪廓與天線陣輪廓線的延遲線長度也隨之確定。

透鏡腔體內(nèi)以TEM模電磁波進(jìn)行傳輸[10]，而微帶線中傳輸?shù)氖菧?zhǔn)TEM模，會(huì)導(dǎo)致電磁波在這兩類導(dǎo)波結(jié)構(gòu)中傳輸?shù)膫鞑コ?shù)不一樣，但是傳輸常數(shù)對(duì)頻率變化的斜率基本一致，因此要對(duì)這兩者的等效介電常數(shù)加以區(qū)分，及透鏡腔體部分的等效介電常數(shù)和介質(zhì)基板一致均為，在微帶延遲線區(qū)域的等效介電常數(shù)為。因此透鏡的路徑約束方程為：

（1）

（2）

（3）

幾何約束方程為：

（4）

（5）

（6）

按下式進(jìn)行歸一化：

，，" " " " " " （7）

，，" "（8）

根據(jù)以上約束方程，可計(jì)算出透鏡陣列輪廓和延遲線，整理后可得：

（9）

（10）

（11）

其中：

（12）

（13）

（14）

通過確定焦角α、掃描角φ及焦距比g，然后利用上式求出在不同η時(shí)的w值，以及x和y的值，從而求得輪廓線和延遲線歸一化結(jié)果，最后根據(jù)設(shè)計(jì)需求，計(jì)算出用于歸一化的偏焦距F即可得到的實(shí)際可用的輪廓線和延遲線

（15）

式中，Nmax為天線陣口徑長度的一半，Ne為天線陣陣元數(shù)。

基于上述設(shè)計(jì)方程和推導(dǎo)過程，我們將透鏡輪廓的設(shè)計(jì)過程總結(jié)為三個(gè)步驟：

1）確定多波束天線陣的工作頻率范圍，選取波束掃描相關(guān)的參數(shù)：焦角α，掃描角φ及正焦距和偏焦距的比值g，一般情況下將焦角和掃描角度設(shè)置成一樣。

2）利用幾何光學(xué)法求得Rotman透鏡對(duì)焦距的歸一化輪廓尺寸。

3）根據(jù)天線陣的口徑、單元數(shù)目及單元間隔，計(jì)算焦距的最小值F，即可獲得Rotman透鏡腔體輪廓的實(shí)際尺寸。

2" 模型設(shè)計(jì)

模型設(shè)計(jì)亦是分成兩部分。發(fā)射天線陣設(shè)計(jì)模型如圖2所示，發(fā)射天線陣由極化器和天線陣列組成。極化器將發(fā)射天線陣的極化方式由水平極化轉(zhuǎn)變?yōu)?5°線極化，提高了發(fā)射天線陣的極化適應(yīng)性，并能減小天線陣尺寸。極化器由4層微帶極化柵條組成，將金屬柵條印制在很薄的高頻基板上，極化柵條的寬度、厚度和間距須遠(yuǎn)小于工作波長，并按照一定的周期性排列形成一個(gè)柵格結(jié)構(gòu)。每層極化柵條偏轉(zhuǎn)角度由小逐漸向大變化，逐漸實(shí)現(xiàn)天線陣極化方式的轉(zhuǎn)換。

發(fā)射天線陣列由16單元扇形脊喇叭天線組成一維直線陣，脊喇叭天線具備波束穩(wěn)定易于加工等特點(diǎn)，采用扇形脊設(shè)計(jì)提高了發(fā)射天線陣的工作帶寬，并具有一定的恒波束效果。根據(jù)陣列天線掃描公式d = λ/（1+∣sinθm∣），計(jì)算單元間距為d＜9.7 mm，仿真設(shè)計(jì)選取單元間距9.3 mm，保證了發(fā)射天線陣在掃描±45°時(shí)未出現(xiàn)柵瓣。為了使發(fā)射天線陣結(jié)構(gòu)緊湊且小型化，俯仰方向上的天線尺寸不到最低工作頻點(diǎn)波長的1/2，提高了多波束發(fā)射天線陣對(duì)空的覆蓋能力。但較小的俯仰尺寸，同時(shí)天線陣陣深度尺寸又小，導(dǎo)致在天線單元口面的電流極強(qiáng)，單元間相互耦合強(qiáng)烈，發(fā)射天線陣有源駐波偏高。為了改善這種現(xiàn)象，將單元天線的俯仰方向進(jìn)行圓弧處理，在不改變整體尺寸的前提下相應(yīng)了拓寬了俯仰面口面電尺寸，單元天線的等相位面更大，降低了單元間相互耦合效果，從而改善發(fā)射天線陣有源駐波?？紤]發(fā)射天線陣與Rotman透鏡射頻連接的便捷性，對(duì)同軸-雙脊波導(dǎo)進(jìn)行改進(jìn)，由側(cè)饋改進(jìn)成后饋饋電形式。

微帶Rotman透鏡設(shè)計(jì)模型如圖3所示，選用Rorgers4003作為基板材料，介電常數(shù)為3.5，基板厚度為0.762 mm，偏軸焦距F和正軸焦距G分別為216 mm和220 mm，最大波束覆蓋范圍為±45°，天線陣單元數(shù)為16，波束端口為12，陣元間距為9.3 mm，根據(jù)以上設(shè)計(jì)參數(shù)并借助MATLAB確定Rotman透鏡的波束輪廓和陣列輪廓，之后在這兩條輪廓上設(shè)計(jì)出波束端口和陣列端口。在完成波束端口和陣列端口設(shè)計(jì)之后，由于整個(gè)透鏡還不是一個(gè)閉合微帶腔體，當(dāng)某一輸入端口饋電時(shí)，大部分能量耦合到輸出端口，但透鏡腔體內(nèi)部仍存在多次反射，因此要在透鏡腔體的側(cè)壁吸收多余的能量，改善透鏡腔體中的反射波的影響，從而改善波束指向性[8]。

從圖3中可以看到，波束輪廓上設(shè)計(jì)了12個(gè)波束端口，陣列輪廓設(shè)計(jì)了16個(gè)陣列端口，其余端口均為吸收端口，吸收端口主要吸收透鏡腔體內(nèi)部多余的能量，所有端口外形設(shè)計(jì)為三角漸變形狀，具有阻抗變換的作用。將經(jīng)過3個(gè)焦點(diǎn)的波束輪廓外形由圓弧優(yōu)化成橢圓弧，使橢圓弧上的任一點(diǎn)R到達(dá)另一端陣列各端口的相位誤差最小，從而獲得波動(dòng)較小的相位差值 。同時(shí)透鏡尺寸不能設(shè)計(jì)過大，過大的尺寸會(huì)引起較大的插入損耗；而較小的尺寸會(huì)產(chǎn)生較大的幅度波動(dòng)和相位差。

3" 測(cè)試分析

發(fā)射天線陣和Rotman透鏡實(shí)物連接如圖4所示，發(fā)射天線陣射頻輸入由后饋實(shí)現(xiàn)，其中極化器放置在白色泡沫內(nèi)部，并固定于天線陣口面，每層極化柵條也由白色泡沫分隔開。Rotman透鏡除波束端口和陣列端口外，其他所有端口與吸收負(fù)載連接。并將Rotman透鏡的陣列端口依次連接到發(fā)射天線陣射頻端口，為降低外接電纜引起較大的相位波動(dòng)從而影響波束指向性，所有連接電纜具備幅相一致性。通過實(shí)物測(cè)試，發(fā)射天線陣3°波束指向和45°波束指向時(shí)陣元的有源駐波比分別如圖5和圖6所示。俯仰面在不同頻點(diǎn)下的覆蓋方向圖測(cè)試結(jié)果如圖7所示，方位面16波束覆蓋圖方向圖測(cè)試結(jié)果圖8～圖10所示。

從陣元的有源駐波比實(shí)測(cè)圖得出，多波束發(fā)射天線陣有源駐波比最大值為2.85，表明天線陣互耦影響較小，提高了輻射效率，能夠適用有源放大輸出。俯仰面具備較寬的波束寬度，為40°～70°，能夠?qū)崿F(xiàn)更大的對(duì)空覆蓋能力。從各頻點(diǎn)的16波束覆蓋圖得出，各波束指向性較好、波束指向間隔均勻，方向圖未出現(xiàn)形變，高頻柵瓣小，且各頻點(diǎn)均覆蓋±45°，具備了超寬角覆蓋能力。中間波束與邊緣波束差值在6 GHz時(shí)約為2 dB，18 GHz時(shí)約為5 dB，具備較好的波束增益特性。

4" 結(jié)" 論

基于Rotman透鏡的波束形成原理，設(shè)計(jì)了一種工作在6～18 GHz的多波束發(fā)射天線陣。天線陣結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)緊湊，極化適應(yīng)性強(qiáng)，通過與波束形成網(wǎng)絡(luò)連接，實(shí)現(xiàn)方位面16波束輸出，波束方位面最大覆蓋為±45°。同時(shí)具有良好的有源駐波特性，能夠?qū)崿F(xiàn)大功率容量。該多波束發(fā)射天線陣適用于雷達(dá)等領(lǐng)域的多波束干擾系統(tǒng)，而基于Rotman透鏡的二維多波束發(fā)射/接收天線陣將是未來電子干擾、電子偵察等領(lǐng)域重要研究方向。

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作者簡介：盛朋馳（1990—），男，漢族，安徽銅陵人，工程師，碩士研究生，研究方向：多波束天線系統(tǒng)、相控陣天線。

收稿日期：2024-09-23